季节性冰封热融浅湖水温原位观测及其分层特征

为探究季节性冰封浅湖热力学特征,于2010年10月至2013年7月对高原腹地一典型热融湖塘冰层生消、水/冰温及气象条件开展原位观测,分析了水温分布时间变化、温跃层以及冰生消对水温结构的影响。结果发现:冰面升华显著,贯穿整个冰期;水温日变化、季节变化和垂直结构受气温、大气辐射、风速、冰生消和湖底沉积层热贡献影响显著;在"无冰期-结冰前-冰生长期-冰融化期-融化后-无冰期"年循环过程中水温垂直结构分别呈现出"分层-翻转-逆温分层-逆温与正温共存-翻转-分层"的循环过程。分层期水温结构仅由上部混合层和温跃层构成,且偶因强风搅动而全湖翻转混合。可见,相比大中型湖泊,季节性冰封浅湖热力学结构差异显著。     

瞬态传热下冰的热力学过程及相变特性

冰水介质间的热传递过程广泛存在于海冰与冰川的生消演化中。对冰水间传热过程的研究有助于理解冰脊固结与冰川融化过程的内在机理。分别采用浸没试验与基于有限差分法的数值模型对热传递过程进行研究,并通过量纲分析对测试结果进行深入讨论。试验过程中分别采用不同初始温度与初始厚度的试样,并测试冰温与冰厚的变化情况。试验数据显示,在瞬态热传导过程中冰内存在明显的温度梯度,且在试验初期呈非线性分布而在中后期呈准线性分布。试样的平均温度表现出试验初期的快速升高与中后期的缓慢提升两个阶段。当试样具有较低初始温度或较高的厚度时需要更长的时间达到环境温度。冰厚的变化也同样出现快速增长与缓慢提升的两个阶段。当试样初始冰温较低或初始厚度较大时,冰厚增长量显著提高。分析结果表明,影响冰温变化的决定因素是由Fourier所表示的导热与内能之间的比值而非初始条件。冰厚的最终增长率则由表示相变的Stefan数与表示热对流的Biot数两者之间差值所决定。     

1979—2021年鄂陵湖和扎陵湖结冰日变化及主控因素分析

湖冰物候过程影响着湖泊冰封期湖泊环境的初始、发展和结束条件以及湖-气作用等。为了探究青藏高原淡水湖泊湖冰物候变化趋势及影响因素,对FLake模型进行改进,并使用MODIS温度数据进行验证,以鄂陵湖和扎陵湖为例,重建其1979—2021年结冰日数据序列,利用模型对湖泊结冰日进行敏感性分析。结果表明：改进的FLake-SELF模型对两湖的结冰日计算精度提升了35%,重建序列显示鄂陵湖和扎陵湖结冰日分别以4.5 d/(10 a)、3.8 d/(10 a)的速率推迟;气温变暖、风速降低和水汽压增加是导致两湖结冰日推迟的最主要气象因素,气温、水汽压和风速的年际差异是造成两湖结冰日年际波动的关键气象因素;相同的气候变化条件下,湖泊深度的不同是造成两湖结冰日及其变化速率差异的原因;较深的湖泊,结冰日年际波动性越大、变化速率越大,对气候变化响应更为敏感。     

高寒区抽水融冰渠道水温沿程衰减规律——以红山嘴水电站为例

抽水融冰技术是解决高寒区引水式电站冬季运行冰害问题的有效措施之一。为研究抽水融冰对电站引水渠道冬季引水的水温控制规律,以红山嘴水电站为例,基于RNG κ-ε模型数值模拟研究结果,从热流量比角度探讨了渠道水温沿程衰减规律,并采用2013年2月和2014年1月原型观测结果进行了验证。结果表明:渠道水温沿程衰减过程可分为骤降段、过渡段和缓降段3部分,各段范围受外界条件控制;衰减曲线呈幂函数分布,相关系数达到98%;对比气温对渠温沿程衰减的影响表明,随着大气温度的降低,渠道水温沿程衰减速度明显加快;-10 ℃为水温衰减过程变化转折点,当气温高于-10 ℃时,可以近似认为渠温衰减规律一致,渠温沿程变化主要受到热流量比值影响;低于-10 ℃时,气温对渠道水温沿程变化影响显著。     

东北多年冻土地区地基承载力对气候变化敏感性分析

近年来,中国东北多年冻土地区正处于显著的增温过程中。由此导致多年冻土逐渐退化,并严重影响到构筑物的稳定性。以0.05 ℃的年平均气温上升率为背景,采用带有相变的传热学有限元方法,对中国东北多年冻土地区不同初始气温条件和不同含冰量类型冻土的地基温度状况以及季节活动层厚度变化进行了模拟;利用温度场有限元数值试验结果和已有承载力试验数据分析了不同类型冻土地基的力学性质对气温变化敏感性,评估了气温变化对各类冻土地基承载力的影响。气候变化对多年冻土地区构筑物稳定性影响程度取决于两个环节：其一,冻土地基温度状况对气候变化的响应;其二,冻土地基力学性质对地基温度变化的敏感性。研究结果表明,冻土地基含冰量和温度状态对其承载力随气温变化的敏感性具有显著的影响。含土冰层地基承载力对气温变化最为敏感,气温变化对高温冻土地区浅层地基承载力以及桩-土冻结强度影响较大;而深基础桩端冻土地基承载力受气候变化影响相对较小。     

龙羊峡水库水温结构演变及其对下游河道水温影响

多年调节水库由于年际运行过程的差异引起水库水温结构变化,探明其规律及对下游河道水温响应具有重要意义。以黄河龙羊峡水库为研究对象,利用水库蓄水后的1988～2008年运行过程及水温观测资料,分析了水库运行方式与水温结构变化关系,探讨了水库不同运用过程对下游河道水温的影响。研究结果表明:龙羊峡水库水温结构演变及其对下游河道水温影响程度与水库运用过程密切相关。12～3月,水温结构为弱分层或等温分布,较高水位的蓄热增温效应明显,下游河道水温与水库水位变化具有同相位关系;5～10月,水温结构为分层分布,水位是决定分层形态变化最主要因素,下游河道水温与水库水位变化具有反相位关系,同时,水位与河道水温在不同的出入库水量条件下,呈现不同的线性相关关系。11月和4月,水温结构近乎为等温状态,也是水温结构变化的转折点。研究成果为分析大型水库在不同运行条件下水温结构及下游河道水温提供一定的参考依据。     

2008-2015年北京高速公路道面结冰特征分析

道面结冰是北京地区高速公路交通安全的主要危害因素。利用北京地区2008-2015年28个ROSA交通气象站的结冰数据分析了北京地区高速公路道面结冰的基本特征。结果表明：（1）北京市高速公路道面结冰空间差异显著,不同高速公路结冰特征显著不同,同一高速公路不同路段结冰特征也明显不同,这与高速公路各路段局地气候存在差异有关。（2）道面结冰主要发生在北部和东部高速公路所在路段,以小汤山西桥站、顾家庄桥站、六道口桥站和丁各庄桥站道面结冰灾害最为严重。冬季道面结冰月变化显著,11月和3月,结冰次数较少,结冰持续时间短;12月、1月和2月结冰次数多,结冰持续时间长。（3）持续时间越长的结冰过程结冰次数越少。不同持续时间的结冰过程在各时段的结冰次数和累积结冰时长均存在明显差异,两者在各时刻的演变特征基本相同,峰值均出现在22：00,且在00：00之后呈明显减少趋势。（4）大部分站点慢车道比快车道更容易结冰,少部分站点快、慢车道结冰率近似,有的站点甚至快车道结冰率远高于慢车道。快、慢车道水或覆盖物厚度与交通站点所处位置的局地气象条件密切相关。（5）气温、道面温度和大地温度与水或覆盖物的厚度变化呈反相位,即温度越低,水或覆盖物的厚度越大。这可为北京地区道面结冰预报预警方法的开展提供着眼点和依据。     

有压条件下湿砂结冰温度的研究

本介绍用自行研制的冰点仪，对４个不同含水率的砂土，在０－１０ＭＰａ条件下，试验研究其结冰温度。研究表明，不饱和水的砂土，其结冰温度与外载无关；对饱和过饱和水的砂土获得了其结冰温度随外载变化的规律。     

南水北调中线输水工程若干冰力学问题试验研究

通过在低温冰工程实验室进行的冰力学模型试验,研究了南水北调中线工程冰期输水中的若干冰力学问题,主要包括:冰的膨胀力、冰盖稳定性和浮冰对闸墩的撞击力.试验结果给出了冰的膨胀力变化典型时程曲线、不同厚度冰盖的膨胀力极值变化;不同厚度的冰盖随水位下降的最大塌落值;以及冰排对闸墩的撞击力的冰力时程曲线、冰力极值随冰速的变化曲线.这些试验成果可为南水北调中线工程冰期输水安全运行提供参考.     

基于适体坐标变换的二维河冰模型

为精确模拟流动边界条件,克服边界形状复杂、长宽尺度相差悬殊及由于水位变化引起计算边界变化等困难,针对天然河道边界弯曲复杂等特点,应用水动力学和热力学等原理,建立了适体坐标下的二维河冰数值模型,模型主要包括流速场,水温沿河道变化,水内冰浓度分布,面冰输移,冰盖推进、稳定和消融,冰盖下冰的输移、堆积和冲蚀等,考虑了冰盖底部水中冰堆积和冰盖前沿形状对封冻过程的影响。采用MacCormack步进格式计算方法,并应用黄河河曲段实测资料对数值模拟结果进行了验证。验证结果表明,提出的数值模型能较好地体现河道的封冻过程。     

新疆阿尔泰山喀纳斯湖冰层温度变化规律试验研究

2014年12月-2015年4月期间,新疆布尔津县喀纳斯湖举行了冰上旅游项目。为监测冰层生长、发育和融化状况,分别对喀纳斯湖（湖边、湖中）A、B、C三点进行温度监测,利用监测得到的冰层温度数据绘制湖冰从上到下温度分布状况图。根据湖边与湖中的冰层结构特点,从冰层的天然结构角度分析湖冰结构对温度分布的影响。结果表明：天然冰层中温度传递系数并不是一致不变的,既受冰上气温、冰下湖水温度的影响,也受到冰层自身结构状况的影响,并进一步阐述了湖面冰层的温度分布规律与变化成因,为分析温度对冰层强度的影响奠定了基础。     

丰满水库水温的原型观测及分析

为探究寒区冰封水库热状况的时空演变规律,于2010年6月~2011年8月对丰满水库的水温和冰情进行了原型观测。基于现场观测资料,阐述了丰满库区不同季节热结构的变化规律,重点分析了汛期洪水过程对分层结构的影响,并发现解冻初期水库表层浮力流动现象。同时,典型水温分层期1月和6月的坝前75~800m范围4条水温观测垂线基本一致,且同期电站下泄水温与坝前取水口对应高程平均水温差异较小,说明该水域范围内无三维水温效应。由于深层取水影响,丰满电站下泄水温过程较为稳定,但与坝址天然水温相比,5~7月、10~12月分别表现出月平均高达10.8℃、7.9℃的春夏低温水和秋冬高温水现象。此外,冰情监测结果表明,丰满水库冬季基本全库封冻,坝前最大冰厚约0.7m,且库区冰厚沿程出现不均匀分布的规律。     

土体冻结过程中的热质迁移研究进展

土体的冻胀，融沉问题归根结底是热质迁移问题，文章概述了近年来在国际上有关这方面研究的新成果，总体上讲，冻结缘的厚度，分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质迁移试验研究的重点受到关注，质的迁移研究不仅仅限制在水分的迁移，而且对于矿物质，溶质，气体等的迁移以及对水分迁移的影响都有不同程度的研究，对于冻胀预报模型，已从经验型过渡到依据基本物理，力学，热动力学理论而建立的理论模型，今后的研究发展方向是加强室内参数测试水平以及对理论模型的普遍性验证。     

2008年夏季北冰洋海冰表面积雪特征初步分析

运用中国第三次北极考察期间观测的积雪资料, 分析了夏季北冰洋中心海域海冰表面积雪的空间分布特征. 结果表明: 积雪在垂直分布上呈现6种粒雪状态, 表层到底层依次为新降雪、风板、冰片、深霜、冻结状粗雪和渗浸冻结冰层, 积雪表面常被新降雪或厚度为2～3 cm的风板所覆盖. 考察区域积雪的平均密度为(304.01±29.00)kg·m^-3, 表层密度略低于次表层, 遵循雪的密实化原理. 积雪厚度, 雪水当量和新降雪皆具有由南向北递减的空间分布特征, 表明在海冰消融末期, 积雪的气候态分布主要是由降水量的多少决定的, 积雪的消融和蒸发并非海冰表面积雪评估需考虑的首要因素. 雪温随深度的增加而增加, 具有明显的垂直梯度, 观测区积雪表面的平均温度为(-2.01～±0.96)℃, 比海冰/积雪界面的温度高得多.     

辽东湾红沿河附近海域2017—2018年冬季气温-水温-冰情关系研究

辽东湾是我国冰情最严重海域,每年冬季都会受到海冰的显著影响,冰情预测评估可为辽东湾涉海活动提供防冰抗冰的技术依据。建立气温-水温-冰情的相关性,结合便于获取的现场高精度连续气象数据和高精度冰情预测模型,可实现局地小尺度的冰情快速预测评估。基于2017—2018年冬季辽东湾东岸红沿河附近海域实测气象-水温-冰情同步观测数据,结合辽东湾大尺度整体冰情（浮冰面积）,推演局地气温、水温与不同尺度冰情评价参数（浮冰范围与冰厚）的相关关系,提出基于不同气温区间的气温变化规律的冰底热通量选取方法,进而建立适用于辽东湾的气温-水温-冰情评估方法。相关性分析结果显示：观测点气温与水温存在明显相关性;浮冰范围与气象数据存在明显相关性,临界温度为 -5 ℃的累计负气温能很好拟合本年度盛冰期浮冰范围。基于HIGHTSI进行数值模拟后发现：水温与块体积法计算冰底热通量时,冰水间的热传递系数取2.2×10^-5是可行的;水温对冰情的影响表现在海冰冰厚最大值与冰期长短。为弥补辽东湾其他海域因缺少实测海水温度观测数据欠缺、冰底热通量选取不准选取导致的冰情模拟预测评估困难的问题,本文依据水温与气温的相关性,将水温随气温变化划分为结冰区（气温小于-10 ℃时水温维持冰点附近）、过渡区（气温为-10~-5 ℃时水温处于-1.4~-0.4 ℃）、融冰区（气温高于-5 ℃时水温随气温的增大逐渐增大）,进而提出适用于辽东湾所有海域的冰底热通量计算方法和冰情评估方法。     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性。2011—2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度K_IC。结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对K_IC的影响比较显著。随温度和加载速率的降低,K_IC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系。为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据。     

基于现场观测的辽东湾东岸海冰环境基本特征

全面获取气-冰-海环境特征数据已成为当前冬季现场观测的重要任务,用于准确、快速开展区域冰情评价预测,以满足海冰防灾减灾工作需求。基于辽东湾东岸鲅鱼圈雷达海冰观测站（15a）与温坨子附近海域（9a）的冬季观测数据,对辽东湾东岸的风、水温、海冰时空分布等环境基本特征进行了探讨。对鲅鱼圈站1月和2月4级风（5.5m·s-1）以上数据进行分析,发现偏北风自2016年以来呈现由N、NNE、NE向NE转变,偏南风自2016年以来主风向由SSW向WSW转变。对温坨子海冰观测站水温观测数据进行分析,发现水温表现出降温期、平稳期与回温期,降温期发生于12月至次年1月中旬,平稳期发生于1月下旬至2月中旬,回温期发生于2月下旬;当气温低于-10℃时,水温基本维持在-1.4℃附近,气温处于-10～-5℃时,水温基本分布于-1.4～-0.5℃区间,气温处于-5～5℃时,观测点水温基本分布于-1.4～3℃。对鲅鱼圈站与温坨子站能见范围内的逐日海冰分布面积比例进行分析,发现海冰面积呈现增大期、稳定期与减少期,鲅鱼圈站附近12月12日至次年1月9日前后为增大期（对应初冰期）,1月9日前后至2月8日前后为稳定期（对应盛...     

表碛下冰面消融的模拟与估算

根据热传导理论和能量平衡原理建立了一个简单的数学模型,对表碛下冰面的融化热进行了估算.模型将表碛分为三层:第一层冰碛以剧烈的温度变化和夜间负温梯度的存在为特征;第二层为中间过渡层,温差和温度变化都较小;第三层为靠近下伏冰体的薄层冰碛,以温度低和变化稳定为特征.模型仅以地表温度时间序列、表碛厚度和导热系数、土壤热容量等参数为计算输入,即可对表碛不同层位的土壤温度及其下部冰体融化所需热量进行模拟估算.在科其喀尔冰川表碛区选取了3个具有不同表碛厚度的试验点(Spot1,0.8m;Spot2,1.5m;Spot3,2.1m)进行了模型测试.模型试验表明,模型对于不同厚度表碛下冰面融化热的模拟是较好的,然而对于不同层位地温序列的模拟仍有一定的偏差,造成这些偏差的原因主要是来自于模型假设和土壤温度垂向上的时间相位差.模拟结果同时也显示了不同表碛厚度下冰面消融的差异,冰面消融热平均分别为:Spot1:26.87W·m^-2,Spot2:9.81W·m^-2,Spot3:6.92W·m^-2.